Seit mehr als zehn Jahren sind kapazitive Sensoren in Einzeltastern weit verbreitet. Auf welchem technischen Stand befinden sie sich heute? Wie funktionieren sie, für welche Anwendungen eignen sie sich besonders, und welche Vor- und Nachteile haben sie?

Nach der Überwindung technischer Kinderkrankheiten und unrealistischer Erwartungen sind die kapazitiven Tastertechniken ausgereift und zum Großteil standardisiert. Gegenüber mechanischen Tastern entfalten kapazitive Taster ihre Stärke, wo Hygieneschutz, ästhetisches Design und gute Reinigungsfähigkeit gefragt sind. Die Einsatzumgebung und die konkrete Applikation sorgfältig zu bewerten ist jedoch auch heute noch ausschlaggebend.

Eine Grundfrage bei der Projektierung eines neuen kapazitiven User Interface ist, welche der beiden Grundtechnologien – Einzelsensor oder Flächensensor – den Vorzug bekommt. Auf den ersten Blick scheinen flächige Sensoren, die meist in Touchscreens Verwendung finden, alle Anforderungen an kapazitive Dateneingabe zu vereinen. Schließlich lassen sich aktive Bereiche bzw. Hot Spots per Software festlegen und so auch kapazitive Einzeltaster abbilden. Der Einzeltaster wäre in diesem Fall ein virtuell festgelegter Funktionsbereich.

In der Detailbetrachtung haben physische kapazitive Einzeltaster jedoch – neben anderen – einen entscheidenden Vorzug: Sie benötigen für ihre Eigenfunktion kein Display und keine Rechnereinheit mit entsprechender Software. Insofern eignen sie sich gut für Systeme und Geräte mit einer überschaubaren Tastenanzahl. Neben Kosten- und Komplexitätsvorteilen sind sie auch weitaus einfacher zu implementieren.

Die Funktionsträger kapazitiver Sensorik bei Einzeltastern

Die klassische Variante eines kapazitiven Einzeltaster-Sensors ist eine starre Leiterplatte aus FR4-Material. Die Leiterplatte ist mit der Sensorfläche selbst und anderen Komponenten wie Anschluss oder LED bestückt. Die physischen Abmessungen können variieren und je nach Bedarf ausgestaltet werden. Im Laufe der Jahre haben sich Quasi-Standard-Formate herausgebildet, die nicht zuletzt ihren Niederschlag in leicht integrierbaren, langlebigen und robusten kapazitiven Tastern als Katalogprodukte finden. Auf die Bedienfront aufbringen lässt sich die Baugruppe beispielsweise mittels Klebefolien, die in staubfreien Umgebungen verarbeitet werden.

Eine andere Option ist die Bestückung direkt auf die bedruckte Rückseite der Bedienfront, die in nahezu allen Fällen aus Glas oder PMMA besteht. Die nötigen Leiterbahnen werden zum Beispiel per Siebdruck im Dickschichtverfahren aufgebracht, anschließend getrocknet und gesintert.

Eine zwischen den beiden vorgenannten angesiedelte Alternative ist der Druck der Sensorflächen und Leiterbahnen auf flexible, meist transparente Medien. Diese sind kostengünstiger als Leiterplatten und ermöglichen einen fast ebenso flachen Aufbau wie direkt auf den Frontträger gedruckte Elektronik. Die Applikation erfolgt staubfrei und meist mit einer Klebefolie.

Keine Funktionselemente an sich, sondern mechanische Träger kapazitiver Taster sind die Bedienfronten oder Bedienoberflächen. Im Gegensatz zur Integration mechanischer Taster sind hier keine Löcher für das Durchführen der Taster nötig – außer bei kapazitiven Tastern, die als Einbaugehäuseversion analog zu mechanischen Tastern ausgeführt sind. Als geeignete bzw. Standardmaterialien haben sich folgende Materialien herauskristallisiert: thermisch oder chemisch gehärtetes Weißglas bis etwa 8 mm; dünnes Aluminosilikatglas wie „Gorilla-Glas“, meist 0,7 bis 2 mm; Acrylglas/PMMA bis ungefähr 5 mm; mineralisch-organische Verbundstoffe wie Acrylstein (z.B. „Corian“) bis circa 6 mm sowie Polyesterfolien. Wichtig ist, dass das nichtleitende Material massiv ist und keinerlei (Luft-) Einschlüsse oder Zwischenlagen hat. Zudem muss die Stärke von Streuscheiben bei beleuchteten kapazitiven Tastern von der Stärke des Frontmaterials abgerechnet werden.

Einsatzfelder von „schön“ bis „sauber“

Kapazitive Taster werden bevorzugt, wenn Sauberkeit, Hygiene und nicht zuletzt ein hoher Designwert wichtige Kriterien sind. Ihre völlig ebenen Benutzeroberflächen aus Glas oder Acrylglas sind leicht zu reinigen und verhindern bei entsprechender Konstruktion den Eintritt von Staub und Flüssigkeiten. Die Rückseite ihrer Bedienfront lässt sich auf vielerlei Weise bedrucken und damit grafisch gestalten, und auch für die Beleuchtung gibt es viele Möglichkeiten – von der punktuellen Hinterleuchtung bis zur flächigen Beleuchtung in mehreren Farben und Abstufungen.

Neben diesen Eigenschaften sind kapazitive Taster robust, was sich vor allem in der Lebensdauer zeigt, denn die Sensoren funktionieren fast verschleißfrei. Obwohl in puncto Bruchsicherheit und Beschädigen der Oberfläche etwa durch Kratzer nicht so robust wie ein mechanischer Taster, sind auch gehärtete Gläser ab 3 mm Stärke sehr tolerant gegenüber Stößen.

Im Maschinen- und Gerätebau eignen sich kapazitive Taster besonders zur verschleißfreien, sicheren Bedienung von Einzelfunktionen an Geräten und Systemen, in hygienesensiblen Umgebungen zur Sicherstellung von Keimfreiheit durch Reinigungs- und Desinfektionsfähigkeit, in der Gebäudeautomation zur Kombination von Funktionalität und hohem Designwert und in der Gastronomietechnik zur Sicherstellung der Funktion bei Immission von Stäuben, Flüssigkeiten und Fetten. Bei allen Einsatzbereichen sind jedoch nach wie vor die bekannten Fehler- und Störquellen zu antizipieren. Dies setzt entsprechende Erfahrung voraus oder einen Dienstleister, der eine objektive Projektberatung sicherstellen kann. Selten liefern die Anbieter eine ausführliche Design Guideline, die alle spezifischen Faktoren ins Auge fasst.

Die Funktion kapazitiver Bedienkomponenten und -baugruppen beruht auf elektrischen Feldern. Kapazitive Bauteile reagieren empfindlich auf die Störeinstrahlung aller Elemente, die eine ungewollte elektrische Änderung des Felds bewirken. Dies trifft speziell für Metallfronten und PC-Komponenten zu. Daher müssen im Gerätekonzept alle nahegelegenen elektronischen Bauteile und Materialien nach deren Störein- und Störausstrahlung identifiziert und bewertet werden.

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